我国耕地面积重心及耕地生态背景质量的动态变化

高志强　刘纪远　庄大方

（中国科学院遥感应用研究所　北京　100101）

提　要　基于中国环境资源数据库及对中国耕地面积 10 年变化研究的基础，采用重心模型方法，通过计算两个时期的耕地面积重心，得出中国耕地面积重心 10 年向西北移动了 28.3377km，尔后，在耕地生态背景质量模糊评价的基础上，生成耕地生态背景质量指数，利用此指数计算出耕地重心的移动所导致的中国耕地质量下降 2.52% 的定量化数值。

关键词　耕地面积重心　耕地生态背景质量指数

分　类　中图法　F301

　　“八五”期间，由中国科学院组织，中国科学院遥感所主持的中国科学院重大应用项目“国家资源环境遥感宏观调查与动态研究”已于 1996 年底通过鉴定；同时，由中国科学院遥感所主持的“中国环境资源数据库”项目也通过验收和鉴定。这两个项目是“八五”期间中国科学院应国家对资源环境调查数据的要求，采用陆地卫星 TM 最新图象作为信息源，利用地理信息系统技术，用组合分类方法，构建多级分层地理单元，最后，生成中国资源环境数据库。此数据库不仅能满足国家对资源环境数据的要求，而且可以满足各种灾害监测、遥感估产对资源环境数据的要求；同时，环境资源数据库中所具有的背景生态信息为中国耕地资源生态背景质量评价提供了基础，也为基于此生态背景质量评价基础上的中国耕地 10 年的质量变化研究提供了可能性^[1]。

1 中国耕地面积的十年变化研究

　　以中国资源环境数据库最新调查数据同 80 年代 (1985) 的全国概查数据相比（表 1）可以看出，我国 1985 年耕地资源为 13969万hm²（不含台湾，下同），90 年代 (1995) 我国耕地面积数为 137315333 hm²，两者之差为 2374666hm²，这说明中国耕地面积总量 10 年略有下降，部分边远省区耕地增加的数量与东部一些省市区耕地减少的数量基本相当。东部及沿海地区优质耕地迅速减少，由表 1 可以看出，我国 30 个省、市、自治区中，耕地减少的省、市就有 19 个，占全国总数的一半以上，耕地减少的省区集中在我国东部及沿海地区，主要有北京、天津、河北、浙江、福建、山东、河南、湖北、广东、广西、海南等省区，耕地减少的总量约 533万hm²，东部及沿海耕地迅速减少的主要原因为城市的扩展和建设用地的迅猛增加。在我国东部及沿海地区优质耕地锐减的同时，东北和西北地区的耕地后备资源开发加剧，大量的荒地、草地、湿地被开发成为耕地，由表 1 可知，几个耕地增加的省中，有 5 个省区属东北和西北地区，即内蒙、辽宁、吉林、黑龙江、新疆，其耕地面积增加总量约 660万hm²，占全国耕地总增加面积的 86.1%^[1、2]。

表 1 全国土地概查、遥感宏观调查耕地面积和耕地质量指数表
Table 1 The national land survey, the farmland area based on the mecro-scale survey by remote sensing, and the indices of farmland quality

2 中国耕地面积重心的变化研究

　　以上分析可知，中国耕地面积 10 年总量变化不大，减少了 1.70%，但东部及沿海地区耕地面积迅速减少，东北和西北耕地开垦加剧，导致耕地生态环境背景质量下降，下面利用模型就耕地面积重心的变化及导致耕地生态环境背景质量的变化进行定量化研究。

　　基于空间上的多种社会、经济和自然资源的重心问题的研究，美国从 70 年代就开始了，人类的各种活动离不开空间，人流、物流和能量的分布无一不在空间上展开，各种物质和能量在空间上的聚散和迁移，便产生了某一时刻的重心问题，重心的运动方向、速度和强度是表征某一物质在空间上变化的最好指标^[3]。

　　重心模型说明如下：

　　如图 1，设已知某区域有 P1、P2、P3...Pn（n 个质点），其质量（如人口、耕地面积、产值等）分别为　Q1、Q2、Q3...Qn，求其重心，设重心在 M 处，Pi(Xi,Yi) 到 M(X,Y) 的距离为 Ri，则总力距为，其中，（欧氏距离），求 S 的最小值，S→min 值，即：

此式无解析解，可用叠代公式求解，叠代公式如下：

　　用以上叠代公式编制程序，用中国资源环境数据库中的 1∶400 万分省行政界线图，以各省区的多边形 LAB 点为各省区的空间定位质点，提取 LAB 点，输入 DBF 数据库中，以此为进行叠代的空间定位基础，分别对 80 年代土地概查的中国耕地面积的重心和 90 年代遥感调查的中国耕地面积的重心进行计算，经过叠代计算的结果为 80 年代的土地概查的中国耕地面积重心为 A(302.46766km,2623.7925km)，90 年代遥感调查的中国耕地面积的重心坐标为 B(293.489 77km,2650.67048km)，坐标原点为中国大地坐标原点，在西安附近，两个坐标非常相近，这也证明了耕地面积总量 10 年变化不大，耕地面积重心 10 年向西北移动 28.3377km。因为在计算中，西北的新疆、内蒙、青海等省的质点远离重心点，其杠杆效应非常明显，导致重心移动不是很明显。

3 中国耕地生态环境质量十年变化定量研究

　　中国耕地面积重心 10 年向西北移动了 28.3377km，导致中国耕地生态环境质量总体下降，其耕地生态环境质量变化的定量研究是基于对中国耕地生态环境质量的评价基础上展开的；中国资源环境数据库各行政单元记录携带有生态背景信息，为进行耕地生态环境质量评价打下了基础，用生态背景的温度、湿润度、地形和地表质地指标，对其进行量化分级，选用模糊评判模型，对中国耕地的的生态背景进行评价；为了对中国耕地的生态背景质量 10 年变化进行定量化研究，在对耕地生态背景质量评价的基础上，设计了耕地生态背景质量指数，简称耕地质量指数，在对耕地生态背景质量评价过程中，其质量分 5 个等级，从高到低，每个等级赋一个等级量值：一等为 5，二等为 4，以此类推，五等为 1，为便于比较将其扩大 100 倍；之后，每一等级再乘以该等级的耕地面积除以该被评价单元总的耕地面积的比值，最后，将以上 5 个等级的乘积相加，即为该评价单元的耕地生态背景质量指数 (QINDEX)，QINDEX 表达式如下：

其中 :QINDEXj 为 j 行政单元的耕地生态背景质量指数；Qi 为第 i 级的生态背景质量等级量值；Ai 为第 i 级的耕地面积；Sj 为第 j 个行政单元的面积。通过生成耕地生态背景质量指数 QINDEX，将中国的耕地生态背景质量统一到一个可比的参考系中，使中国耕地生态背景质量 10 年变化的定量研究成为可能。

　　按以上方法生成的以省为行政单元的 QINDEX 如表 1 所示。

　　因为 80 年代土地概查的土地资源数据不具有生态背景信息，无法对耕地的生态背景质量进行评价；假设同一个研究单元其生态背景 10 年内保持不变，实际对于同一个研究单元的耕地的生态环境背景（温度、湿润度、地形和地表质地），10 年内实际变化也不明显，故假设同一个研究单元其生态背景质量指数 QINDEX10 年内保持不变，基于此，对中国耕地的生态背景质量在 10 年内的变化进行计算如下：

式中 :Si 是 i 行政单元 80 年代土地概查耕地面积；Ai 是 i 行政单元 90 年代遥感调查耕地面积；QINDEXi 是 i 行政单元耕地生态背景质量指数。

　　用以上公式计算，因中国耕地面积重心 10 年内向西北移动了 28.3377km，导致中国耕地生态背景质量下降了 2.52%。

4 结果分析

　　(1) 通过以上分析可知，在 10 年中，中国耕地面积虽然总量变化不大，但其东部优质耕地剧减，北部和西北部大量的草地、湿地和荒地被开垦，导致中国耕地面积重心向西北移动了 28.337 7km，使中国耕地生态背景质量下降了 2.52%。

　　(2) 由于生态环境背景质量的差别，新开垦耕地不仅在开垦和利用中需要很高的投入，更重要的是带来对生态环境背景的潜在危险，因此政府部门应采取切实可行的措施，加强现有耕地，尤其是质量好的耕地的保护。

　　(3) 耕地总量的概念应包括数量和质量两个方面，由于各地生态环境质量的差异，导致耕地质量的差异，由前边的耕地生态背景质量指数 QINDEX 可看出，东部的 QINDEX 远远大于西北部的 QINDEX，东部及东部沿海地区耕地的损失，并不能靠西北部地区的垦荒来弥补。保护耕地，首先应保护生态环境条件好的优质耕地，应在保证耕地总体质量稳定的前提下，保证耕地面积的稳定^[1]。

参考文献

1	刘纪远主编。中国资源环境遥感宏观调查与动态研究。北京：中国科学技术出版社，1996
2	庄大方，刘纪远。中国土地利用程度的区域分异模型研究。自然资源学报，1997,12(2):105～111
3	王劲峰。区域社会—经济空间结构与行为分析的重心方法及实验研究。遥感信息，1993(30)

第一作者简介

高志强，男，1966 年 3 月生，中国科学院遥感应用研究所在读博士。从事过多项遥感和 GIS 的应用和研究工作，为《中国资源环境遥感宏观调查与动态研究》专著的编委和执行编委，现正从事着国家科委“九五”国家重中之重“3S”第一课题的研究任务。